物联网射频识别(RFID)技术与应用 - 第4章.pptx

物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 2013年年物联网系列教材物联网系列教材荣荣获获陕西省高等教育教学成果陕西省高等教育教学成果二等二等奖奖 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用第第4章章 RFID射频前端射频前端电路电路点击此处结束放映点击此处结束放映 RFID电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端4.1RFID电磁反向散射方式的射频前端电磁反向散射方式的射频前端4.2物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 RFID电感耦合方式的射频前端电感耦合方式的射频前端4.1点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用低频和高频低频和高频RFID采用电感耦合方式进行工作。在这种工作采用电感耦合方式进行工作。在这种工作方式中，线圈形式的天线相当于电感，电感线圈产生交变磁场，方式中，线圈形式的天线相当于电感，电感线圈产生交变磁场，使读写器与电子标签之间相互耦合，构成了电感耦合的工作方式。使读写器与电子标签之间相互耦合，构成了电感耦合的工作方式。同时，线圈产生的电感与射频电路中的电容组合在一起，形成谐同时，线圈产生的电感与射频电路中的电容组合在一起，形成谐振电路，谐振电路可以实现低频和高频振电路，谐振电路可以实现低频和高频RFID能量和数据的传输。能量和数据的传输。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.1.1 线圈的线圈的自感和互感自感和互感1.磁通量磁通量磁感应强度通过曲面的通量称为磁通磁感应强度通过曲面的通量称为磁通量量，为为（4.1）图图4.1 通过一个闭合回路的磁通量通过一个闭合回路的磁通量点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.线圈的电感线圈的电感在在RFID中中，读读写写器器的的线线圈圈与与电电子子标标签签的的线线圈圈都都有电感。线圈的电感为有电感。线圈的电感为（4.3）点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.线圈的线圈的互感互感两个线圈两个线圈之间有之间有互感互感。互感定义为互感定义为（4.5）图图4.4 读写器与电子标签之间的互感读写器与电子标签之间的互感点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.1.2 RFID读写器的射频前端读写器的射频前端对读写器天线电路的构造有如下要求。对读写器天线电路的构造有如下要求。（1）读写器天线上的电流最大，使读写器线圈产生最大）读写器天线上的电流最大，使读写器线圈产生最大 的磁通；的磁通；（2）功率匹配，最大程度地输出读写器的能量；）功率匹配，最大程度地输出读写器的能量；（3）足够的带宽，使读写器信号无失真输出。）足够的带宽，使读写器信号无失真输出。因此，因此，RFID读写器的射频前端常采用串联谐振电读写器的射频前端常采用串联谐振电路路。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 图图4.5 读写器的射频前端读写器的射频前端 图图4.6 串联谐振电路串联谐振电路点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用1.谐振频率谐振频率只有当频率为某一特殊值时，才能产生谐振，此只有当频率为某一特殊值时，才能产生谐振，此频率称为谐振频率。频率称为谐振频率。谐振频率为谐振频率为(4.9)(4.9)点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.品质因数品质因数品质因数定义为品质因数定义为(4.10)(4.10)串联谐振电路的品质因数为串联谐振电路的品质因数为(4.11)(4.11)点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.输入阻抗输入阻抗在在谐振频率谐振频率，电感的感抗和电容的容抗相互抵消，电感的感抗和电容的容抗相互抵消，输入阻抗为输入阻抗为 (4.13)(4.13)在其它频率，在其它频率，输入阻抗为输入阻抗为复数。复数。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.带宽带宽 图图4.7 串联谐振电路的带宽串联谐振电路的带宽带宽可以由品质因数和谐振频率求得，如果品质因数越带宽可以由品质因数和谐振频率求得，如果品质因数越高，则相对带宽越小。高，则相对带宽越小。(4.16)(4.16)点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用5.有载品质因数有载品质因数实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，实际应用中，谐振电路总是要与外负载相耦合，由于外负载消耗能量，使由于外负载消耗能量，使有载有载品质因数下降。品质因数下降。无载品质因数、外部品质因数和无载品质因数、外部品质因数和有载有载品质因数关品质因数关系为系为(4.19)(4.19)点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.1.3 RFID电子标签的射频前端电子标签的射频前端图图4.8 电子标签射频前端天线电路的结构电子标签射频前端天线电路的结构点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 RFID电子标签的射频前端常采用并联谐振电路电子标签的射频前端常采用并联谐振电路。并联谐振电路如图并联谐振电路如图4.9所示，由电阻、电感和电容并联所示，由电阻、电感和电容并联而成。而成。图图4.9 并联谐振电路并联谐振电路点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用例例4.1 设计一个由理想电感和理想电容构成的并联设计一个由理想电感和理想电容构成的并联谐振电路，谐振电路，要求在负载要求在负载 及及 时，有载品质因数时，有载品质因数 。讨论通过改变电感和电。讨论通过改变电感和电容值提高有载品质因数的途径。容值提高有载品质因数的途径。解解 有载品质因数为有载品质因数为点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用所以电感为所以电感为谐振时的角频率谐振时的角频率为为 所以电容为所以电容为点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用可以通过将电感值降低可以通过将电感值降低 倍同时将电容值提高倍同时将电容值提高倍的方法来提高有载品质因数倍的方法来提高有载品质因数。例如选例如选 ，电感、，电感、电容和有载品质因数分别为电容和有载品质因数分别为点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.1.4 读写器与读写器与电子标签的电子标签的电感耦合电感耦合1.电子标签的电子标签的感应感应电压电压当电子标签进入读写器产生的磁场区域后，电子标签的当电子标签进入读写器产生的磁场区域后，电子标签的线圈上就会产生感应电压，电子标签获得的能量可以使线圈上就会产生感应电压，电子标签获得的能量可以使标签开始工作。标签开始工作。图图4.12 电子标签并联谐振的等效电路电子标签并联谐振的等效电路点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.电子标签的直流电压电子标签的直流电压电子标签通过与读写器电感耦合，产生交变电压，电子标签通过与读写器电感耦合，产生交变电压，该交变电压通过整流、滤波和稳压后，给电子标签的芯片该交变电压通过整流、滤波和稳压后，给电子标签的芯片提供所需的直流电压。提供所需的直流电压。图图4.13 电子标签交变电压转换为直流电压电子标签交变电压转换为直流电压点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.1.5 RFID负载调制负载调制技术技术负载调制通过对电子标签振荡回路的电参数按照数负载调制通过对电子标签振荡回路的电参数按照数据流的节拍进行调节，使电子标签阻抗的大小和相位随之据流的节拍进行调节，使电子标签阻抗的大小和相位随之改变，从而完成调制的过程。负载调制技术主要有电阻负改变，从而完成调制的过程。负载调制技术主要有电阻负载调制和电容负载调制两种方式。载调制和电容负载调制两种方式。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 图图4.15 电阻负载调制的波形变化过程电阻负载调制的波形变化过程点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用图图4.15（a）为电子标签数据的二进制数据编码，图）为电子标签数据的二进制数据编码，图4.15（b）为电子标签线圈两端的电压，图）为电子标签线圈两端的电压，图4.15（c）为读）为读写器线圈两端的电压，图写器线圈两端的电压，图4.15（d）为读写器线圈解调后的）为读写器线圈解调后的电压。可以看出，图电压。可以看出，图4.15（a）与图）与图4.15（d）的二进制数）的二进制数据编码一致，表明电阻负载调制完成了信息传递的工作。据编码一致，表明电阻负载调制完成了信息传递的工作。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 RFID电磁反向散射方式的射频前端电磁反向散射方式的射频前端4.2点击此处结束放映点击此处结束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.2.1 微波射频前端的一般框图微波射频前端的一般框图点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用微微波波RFIDRFID的的射射频频前前端端主主要要包包括括发发射射机机电电路路和和接接收收机机电电路路，需需要要处处理理收收、发发两两个个过过程程。天天线线接接收收到到的的信信号号通通过过双双工工器器进进入入接接收收通通道道，然然后后通通过过带带通通滤滤波波器器进进入入放放大大器器，这这时时信信号号的的频频率率还还为为射射频频；射射频频信信号号在在混混频频器器中中与与本本振振信信号号混混频频，生生成成中中频频信信号号；中中频频信信号号的的频频率率为为射射频频与与本本振振信信号号频频率率的的差差值值，混混频频后后中中频频信信号号的的频频率率比比射射频频信信号号的的频频率率大大幅幅度度降降低低。发发射射的的过过程程与与接接收收的的过过程程相相反反，在在发发射射的的通通道道中中首首先先利利用用混混频频器器将将中中频频信信号号与与本本振振信信号号混混频频，生生成成射射频频信信号号；然然后后将将射射频频信信号号放放大大，并并经经过过双双工工器器由由天天线线辐辐射射出出去去。在在上上述述过过程程中中，滤波、放大、本地振荡器和混频都属于射频前端电路的范畴。滤波、放大、本地振荡器和混频都属于射频前端电路的范畴。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.2.2 射频射频滤波器滤波器1.滤波器的类型滤波器的类型 滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器器和和带阻滤波器带阻滤波器4种基本类型。种基本类型。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.低通低通滤波器滤波器原型原型低通滤波器原型是设计滤波器的基础，集总元低通滤波器原型是设计滤波器的基础，集总元件低通、高通、带通、带阻滤波器以及分布参数滤波件低通、高通、带通、带阻滤波器以及分布参数滤波器，可以根据低通滤波器原型变换而来。器，可以根据低通滤波器原型变换而来。插入损耗作为考察滤波器的指标，用来讨论低插入损耗作为考察滤波器的指标，用来讨论低通滤波器原型的设计方法。插入损耗定义为通滤波器原型的设计方法。插入损耗定义为（4.22）点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用（1）巴特沃斯低通滤波器原型巴特沃斯低通滤波器原型如果滤波器在通带内的插入损耗随频率的变化如果滤波器在通带内的插入损耗随频率的变化是最平坦的，这种滤波器称为巴特沃斯滤波器。是最平坦的，这种滤波器称为巴特沃斯滤波器。滤波器的结构滤波器的结构可以为下图可以为下图点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用（2）切比雪夫低通滤波器原型切比雪夫低通滤波器原型如如果果滤滤波波器器在在通通带带内内有有等等波波纹纹的的响响应应，这这种种滤滤波器称为切比雪夫滤波器，也称为等波纹滤波器。波器称为切比雪夫滤波器，也称为等波纹滤波器。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.滤波器的变换及集总参数滤波器滤波器的变换及集总参数滤波器对低通滤波器原型进行反归一化设计，对低通滤波器原型进行反归一化设计，可以可以变换变换到任意源阻抗和任意频率的低通滤波器、高通滤波器、到任意源阻抗和任意频率的低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。带通滤波器和带阻滤波器。（1）滤波器的变换滤波器的变换滤波器的变换包括阻抗变换和频率变换滤波器的变换包括阻抗变换和频率变换2个过程，个过程，以满足实际的源阻抗和工作频率。以满足实际的源阻抗和工作频率。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用（2）频率变换）频率变换 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.分布参数分布参数滤波器的滤波器的设计设计当当频频率率不不高高时时，集集总总元元件件滤滤波波器器工工作作良良好好。但但当当频频率率高高于于500Mz时时，滤滤波波器器通通常常由由分分布布参参数数元元件件构构成。成。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用（1）微带短截线低通滤波器微带短截线低通滤波器（2）平行耦合微带线带通滤波器平行耦合微带线带通滤波器 点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.2.3 射频低噪声射频低噪声放大器放大器1.放大器稳定的定义放大器稳定的定义稳定性是指放大器抑制环境的变化（如信号频率、稳定性是指放大器抑制环境的变化（如信号频率、温度、源和负载等变化时），维持正常工作特性的能力。温度、源和负载等变化时），维持正常工作特性的能力。因此，放大器稳定意味着反射系数的模小于因此，放大器稳定意味着反射系数的模小于1。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 2.放大器的功率增益放大器的功率增益(4.28)(4.28)功率增益与功率增益与 和匹配网络有关。和匹配网络有关。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.放大器输入输出驻波比放大器输入输出驻波比放大器输入、输出电压驻波比为放大器输入、输出电压驻波比为(4.29)(4.29)点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.放大器的噪声放大器的噪声(4.30)(4.30)(4.31)(4.31)多多级级的的级级连连的的高高增增益益放放大大器器，仅仅第第一一级级对对总总噪噪声声有有较较大大影响。影响。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.2.4 射频功率放大器射频功率放大器功率功率放大器放大器是大信号放大器是大信号放大器，晶体管，晶体管时常工作于非线时常工作于非线性区域性区域。功率放大器的效率是特别需要考虑的，放大器的效。功率放大器的效率是特别需要考虑的，放大器的效率定义为射频输出功率与直流输入功率之比，率定义为射频输出功率与直流输入功率之比，A类放大器的类放大器的效率最高为效率最高为50%。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用 1.1dB增益压缩点增益压缩点当输入功率较低时，输出与输入功率成线性关系；当输入功率较低时，输出与输入功率成线性关系；当晶体管的输入功率达到饱和状态时，其增益开始下降，当晶体管的输入功率达到饱和状态时，其增益开始下降，或者称为压缩。当晶体管的功率增益从其小信号线性功或者称为压缩。当晶体管的功率增益从其小信号线性功率增益下降率增益下降1dB时，对应的点称为时，对应的点称为1dB增益压缩点。增益压缩点。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.交调失真交调失真在非线性放大器的输入端加两个或两个以上频率在非线性放大器的输入端加两个或两个以上频率的正弦信号时，在输出端将产生附加的频率分量。这些的正弦信号时，在输出端将产生附加的频率分量。这些新的频率分量称为谐波失真或交调失真。新的频率分量称为谐波失真或交调失真。三阶交调三阶交调 和和 由于距由于距 和和 太近而落在了放大器的频带内，不易滤除，可以导太近而落在了放大器的频带内，不易滤除，可以导致信号失真。致信号失真。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.2.5 射频射频振荡器振荡器 振荡器是一个非线性电路，它将直流（振荡器是一个非线性电路，它将直流（DC）功率）功率转换为交流（转换为交流（AC）波形。振荡器的核心是一个能够在特）波形。振荡器的核心是一个能够在特定频率上实现正反馈的环路定频率上实现正反馈的环路。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用1.振荡条件振荡条件（1）存在不稳定有源器件。存在不稳定有源器件。（2）（3）点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2.晶体管振荡器晶体管振荡器有如下条件。有如下条件。（1）不稳定的晶体管。）不稳定的晶体管。（2）调谐网络。）调谐网络。（3）终端网络。）终端网络。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用4.2.6 射频混频射频混频器器1.混频器的特性混频器的特性（1）上变频）上变频（2）下变频）下变频（3）变频损耗）变频损耗点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用2单端二极管混频器单端二极管混频器理想混频器输出信号的频率仅为二个输入信号的理想混频器输出信号的频率仅为二个输入信号的和频和差频，实际混频器是由二极管或晶体管构成的，和频和差频，实际混频器是由二极管或晶体管构成的，实际混频器会产生大量输入信号的各种谐波。由于二极实际混频器会产生大量输入信号的各种谐波。由于二极管或晶体管的非线性，输出会有众多的其他频率分量，管或晶体管的非线性，输出会有众多的其他频率分量，需要用滤波器来选取所需的频率分量。需要用滤波器来选取所需的频率分量。点点击此此处结束放映束放映物联网射频识别（物联网射频识别（RFIDRFID）技术与应用）技术与应用3.单平衡混频器单平衡混频器前面讨论的单端二极管混频器虽然容易实现，但前面讨论的单端二极管混频器虽然容易实现，但在宽带应用中不易保持输入匹配及本振信号与射频信号在宽带应用中不易保持输入匹配及本振信号与射频信号之间相互隔离，为此提出单平衡混频器。二个单端混频之间相互隔离，为此提出单平衡混频器。二个单端混频器与一个器与一个3dB耦合器可以组成单平衡混频器。耦合器可以组成单平衡混频器。点点击此此处结束放映束放映